CN113540273B - 一种高速高增益的雪崩光电探测器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种高速高增益的雪崩光电探测器及其制备方法，其芯片包括由上至下设置的三级台阶；其中：第一级台阶，包括由上至下依次设置的P电极、第一欧姆接触层、第一吸收层和第二吸收层上部；第二级台阶，包括由上至下依次设置的第二吸收层下部、过渡层、第一电荷层、倍增层、第二电荷层、渡越层和第二欧姆接触层上部；第三级台阶，包括由上至下依次设置的第二欧姆接触层下部和绝缘衬底；所述三级台阶的水平投影面积依次增大。所述芯片倍增层采用超薄InAlAs材料。所述三级台阶芯片倒扣键合在基片上。

Description

一种高速高增益的雪崩光电探测器及制备方法
技术领域
本公开涉及探测器技术领域，具体涉及一种高速高增益的雪崩光电探测器。
背景技术
随着人们对信息传递日益增长的需要，对光通讯的传输速度和传输距离有了更高的要求。半导体光电探测器作为光通讯中重要的接收器件，起着举足轻重的作用。与PIN型探测器相比，雪崩光电探测器因其内部对光电流的增益，提高了对光信号探测的响应度。因此，高速高增益的APD被越来越多地应用于光通讯中。评价APD性能的主要指标有3dB带宽、暗电流、响应度和增益带宽积等。
常用的高速APD采用分离吸收电荷倍增的SAGCM结构。要想提高APD响应速度，需减小耗尽区长度来减小载流子渡越时间。单位增益下响应度与带宽相互制约，要想提高APD单位增益下的响应度，通常应增加本征吸收层的厚度，但本征吸收区完全耗尽后，使载流子渡越时间延长，限制APD带宽。光生载流子在倍增区的碰撞电离时间随着增益的提高而增加，在高增益下碰撞电离时间逐渐成为限制器件3dB带宽的主要因素。
此外，高增益下限制APD带宽的主要因素是倍增区的雪崩增益时间，倍增区越薄，APD的增益带宽积越大。但薄倍增区需要更高的电场强度引发雪崩倍增，会使器件的隧穿电流增大，严重时发生隧道击穿。因此，要想获得高速、高增益的雪崩光电探测器，应解决增益带宽积与暗电流、带宽与响应度之间的矛盾。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种高速高增益的雪崩光电探测器，克服现有技术存在的缺点和不足，提高APD的带宽和响应度。
一种高速高增益的雪崩光电探测器，其芯片包括由上至下设置的三级台阶；其中：
第一级台阶，包括由上至下依次设置的P电极、第一欧姆接触层、第一吸收层和第二吸收层上部；
第二级台阶，包括由上至下依次设置的第二吸收层下部、过渡层、第一电荷层、倍增层、第二电荷层、渡越层和第二欧姆接触层上部；
第三级台阶，包括由上至下依次设置的第二欧姆接触层下部和绝缘衬底；
所述第二欧姆接触层下部连接有N电极；
所述第三级台阶的水平投影面积大于第二级台阶的水平投影面积；所述第二级台阶的水平投影面积大于第一级台阶的水平投影面积。
可选地，所述倍增层的组成材料为本征InAlAs。
可选地，所述第二吸收层的组成材料为本征InGaAs，过渡层的组成材料为本征InAlGaAs，第一电荷层的组成材料为P型掺杂的InAlAs，第二电荷层的组成材料为N型掺杂的InAlAs，渡越层的组成材料为本征InAlAs。
可选地，所述第一吸收层的组成材料为P型掺杂的InGaAs。
可选地，所述第一欧姆接触层的组成材料为P型InGaAs；所述第二欧姆接触层的组成材料为N型InGaAlAs；所述绝缘衬底的组成材料为本征InP。
可选地，其特征在于，所述P电极的组成材料为金属Ti和Au，所述N电极的组成材料为金属Au、Ge、Ni和Au。
可选地，所述绝缘衬底下方设置有增透膜，增透膜所用材质为SiNx。
可选地，所述芯片下方设置有基片，所述芯片倒扣键合于基片上。
可选地，所述基片的组成材料为Al2O3陶瓷。
可选地，一种高速高增益的雪崩光电探测器的制备方法，包括以下几个步骤：
S1采用外延生长工艺，在绝缘衬底上生长第二欧姆接触层、渡越层、第二电荷层、倍增层、第一电荷层、过渡层、第二吸收层、第一吸收层和第一欧姆接触层；
S2采用光刻工艺，在外延正面光刻出P电极图形，带胶溅射P电极，采用剥离工艺制备P电极；
S3采用光刻工艺，在外延正面光刻第一台阶图形；采用湿法腐蚀工艺，对第一台阶以外的外延材料进行腐蚀，腐蚀至第二吸收层中心时停止，形成第一台阶；
S4采用光刻工艺，在外延正面光刻出第二台阶图形，此图形半径稍大于第一台阶；采用湿法腐蚀工艺，腐蚀至第二欧姆接触层2停止，形成第二台阶；
S5采用光刻工艺，在外延正面光刻出第三台阶图形，采用湿法腐蚀工艺，腐蚀进绝缘衬底停止，形成第三台阶；
S6采用复合钝化层钝化的工艺，在外延正面生长复合钝化层作保护，以减小器件的表面漏电流；
S7采用光刻工艺，在外延正面光刻N电极窗口和P电极窗口的图形；采用湿法腐蚀工艺，腐蚀掉N电极窗口和P电极窗口处的复合钝化层，形成N电极和P电极窗口；
S8采用光刻工艺，重新光刻出N电极窗口，带胶溅射，溅射材料为Au、Ge、Ni和Au，之后剥离出N电极；
S9采用光刻工艺，在外延正面光刻出电极引线窗口，带胶溅射，溅射材料为Ti和Au，之后剥离出电极引线；
S10采用快速退火合金工艺，使半导体器件和金属间形成良好的欧姆接触；
S11对绝缘衬底背面进行减薄抛光，采用等离子体化学气相沉积工艺，在减薄抛光后的表面生长SiNx，作增透膜；
S12采用光刻工艺，在增透膜上光刻出对准标记窗口，对准标记为圆环结构，尺寸大于探测器正面第二台阶，且中心位置与第二台阶中心对齐，在后续使用过程中起到定位入射光位置的作用，采用等离子体刻蚀工艺，刻蚀掉对准标记处的SiNx；
S13采用溅射工艺，在陶瓷基片正面溅射金属Ti和Au；
S14采用光刻工艺，在金属Ti和Au表面光刻出微带线窗口；采用湿法腐蚀工艺，将微带线以外的Ti和Au腐净；
S15采用光刻工艺，在陶瓷衬底正面光刻出键合点窗口；采用溅射工艺，带胶溅射金属In，剥离形成金属In键合点；
S16采用热熔焊接工艺，将陶瓷衬底上金属In键合点分别与探测器芯片正面键合点对准焊接，完成芯片的倒扣键合。
从上述技术方案可以看出，本发明中所公开的一种高速高增益的雪崩光电探测器，APD芯片采用三级台阶结构，减小了倍增区边缘电场的强度，从而在减小由杂质和缺陷引起的暗电流的同时，有效地抑制了边缘击穿，使得碰撞电离过程集中于倍增层中心，提高了APD的可靠性。
本发明中所公开的一种高速高增益的雪崩光电探测器，其采用分离吸收、过渡、P型电荷、倍增、N型电荷、渡越的SAGCMCT结构，较常规SAGCM结构，新引入的N型电荷层和渡越层处于耗尽状态，可以减小APD的结电容，提高APD带宽，同时，由于倍增电子的漂移速度比倍增空穴的漂移速度快，可以保证倍增电子的漂移时间小于倍增空穴的漂移时间，使APD总的渡越时间不变，器件带宽不受渡越时间影响。
本发明中所公开的一种高速高增益的雪崩光电探测器，其倍增层选用小于0.12μm的超薄本征InAlAs作为组成材料，InAlAs与吸收层的InGaAs材料晶格匹配，减小了由晶格失配带来的暗电流和载流子堆积，且由于InAlAs比InP有更低的离化率，同等厚度下可以获得更高的增益带宽积和更低的过剩噪声，解决了增益带宽积与暗电流间的矛盾。
本发明中所公开的一种高速高增益的雪崩光电探测器，其采用背入射结构制备的APD，从探测器芯片背面入射的光被吸收区第一次吸收后，经P电极反射，被吸收区二次吸收，从而提高APD的响应度；由于高速APD采用台面结构，背入射结构可以避免台面上开入射窗口，有利于有源区面积的减小，从而提高APD带宽；P电极可完全覆盖P欧姆接触层，减小了欧姆接触电阻，从而提高APD带宽。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的剖面示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的俯视图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器制备完N电极引线后和相应的键合辅助支撑台连接的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的微带线和金属In键合点的结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的制备流程图；
图中，绝缘衬底-1、第二欧姆接触层-2、渡越层-3、第二电荷层-4、倍增层-5、第一电荷层-6、过渡层-7、第二吸收层-8、第一吸收层-9、第一欧姆接触层-10、P电极-11、N电极-12、增透膜-13、第一台阶-14、第二台阶-15、第三台阶-16、N电极窗口-17、N电极引线-18、N电极台-19、键合辅助支撑台-20、第三金属In键合点-21、第一金属In键合点-22、第二金属In键合点-23、微带线-24。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本公开的实施例提供一种高速高增益的雪崩光电探测器。
图1～图2示意性给出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的结构图，其芯片包括由上至下设置的三级台阶；其中：
第一级台阶14，包括由上至下依次设置的P电极11、第一欧姆接触层10、第一吸收层9和第二吸收层8上部；
第二级台阶，包括由上至下依次设置的第二吸收层8下部、过渡层7、第一电荷层6、倍增层5、第二电荷层4、渡越层3至第二欧姆接触层2上部；
第三级台阶，包括由上至下依次设置的第二欧姆接触层2下部和绝缘衬底1；
所述第二欧姆接触层2下部连接有N电极12；
所述第三级台阶的水平投影面积大于第二级台阶的水平投影面积；所述第二级台阶的水平投影面积大于第一级台阶的水平投影面积。
如图1所示，APD芯片采用三级台阶结构。第一台阶起到限制器件有源区的作用。且由于第一台阶14尺寸小于第二台阶15，倍增区电场被集中于其中心区域，减小了其边缘电场的强度，从而在减小由杂质和缺陷引起的暗电流的同时，有效地抑制了边缘击穿，使得碰撞电离过程集中于倍增层5中心区域，提高了APD的可靠性。第三台阶起到电学隔离的作用。
如图1所示，采用分离吸收、过渡、P型电荷、倍增、N型电荷、渡越的SAGCMCT结构，较常规SAGCM结构，新引入的N型电荷层和渡越层处于耗尽状态，可以减小APD的结电容，提高APD带宽，同时，由于倍增电子的漂移速度比倍增空穴的漂移速度快，可以保证倍增电子的漂移时间小于倍增空穴的漂移时间，使APD总的渡越时间不变，器件带宽不受渡越时间影响。制备的SAGCMCT结构的APD，单位增益下的3dB带宽约24GHz，5倍增益下的3dB带宽约20GHz。
所述倍增层5的组成材料为超薄的本征InAlAs材料。
由于InAlAs比InP有更低的离化率，同等厚度下可以获得更高的增益带宽积和更低的过剩噪声，解决了增益带宽积与暗电流间的矛盾。
所述第二吸收层8的组成材料为本征InGaAs，过渡层7的组成材料为本征InAlGaAs，第一电荷层6的组成材料为P型掺杂的InAlAs，第二电荷层4的组成材料为N型掺杂的InAlAs，渡越层3的组成材料为本征InAlAs。
通过设计第一电荷层6和第二电荷层4的掺杂浓度，可以实现对倍增层5的电场强度和厚度的控制，使碰撞电离过程集中发生在倍增层5内，在减小隧穿电流的同时，提高增益带宽积，解决了增益带宽积与隧穿电流之间的矛盾。本实施例中所述第一电荷层6的掺杂浓度为5.7×1017cm-3；第二电荷层4的掺杂浓度为5.0×1017cm-3。
此外由于倍增层5的材料InAlAs与第二吸收层8的InGaAs材料晶格匹配，可以减小由晶格失配带来的暗电流和载流子堆积。
如图1所示，所述第二吸收层8与第一欧姆接触层10之间设置有第一吸收层9，所述第一吸收层9的组成材料为梯度掺杂的P型InGaAs。
如图1所示，吸收区采用部分掺杂结构，可以在总吸收层厚度不变，即对应的量子效率不变的情况下，减小了光生电子进入倍增区的渡越时间，以及碰撞电离产生的倍增空穴的渡越时间，从而提高APD的带宽。
如图1所示，所述P电极11的组成材料为Ti和Au。
如图1所示，所述P电极11所用材料为Ti和Au，以第一欧姆接触层10向外分别设置厚度合适的Ti和Au；由于Ti和Au均为金属，具有较高的反射率，因此P电极11同时具有反射镜的效果。本实施例中Ti的厚度为30nm，Au的厚度为200nm。
如图1所示，采用背入射结构制备的APD，从探测器芯片背面入射的光被吸收区第一次吸收后，经P电极11反射，被吸收区二次吸收，从而提高APD的响应度；由于高速APD采用台面结构，背入射结构可以避免在台面上开入射窗口，有利于有源区面积的减小，从而提高APD带宽；P电极11可完全覆盖P欧姆接触层，减小了欧姆接触电阻，从而提高APD带宽。本实施例中通过上述技术方案制备的背入射三级台阶结构的SAGCMCT-APD，单位增益下的响应度约0.55A/W；5倍增益下的3dB带宽约20GHz，最大增益带宽积达到210GHz，可以应用于高速、高灵敏度的光信号探测。
如图1所示，所述绝缘衬底1下方设置有增透膜13，增透膜13所用材质为SiNx；所述增透膜13上设置有光入射标记，所述标记为圆环结构，其圆心与芯片正面的有源区圆心对准，直径略大于有源区。本实施例中所述增透膜13的折射率为1.85，厚度为210nm。
本实施例中所述第一电荷层6和第二电荷层4的厚度均为70nm；所述过渡层7的厚度为30nm；所述渡越层3、第一吸收层9和第二吸收层8的厚度均为0.3μm；所述倍增层5的厚度为0.12μm，在0.9倍击穿电压下暗电流仅为6.7nA的同时，增益带宽积可达210GHz。
所述第一欧姆接触层10的组成材料为P型InAlAs；所述第二欧姆接触层2的组成材料为N型InA1As；所述绝缘衬底1的组成材料为本征InP。
所述芯片下方设置有基片，所述芯片倒扣键合于基片上，通过光被二次吸收提高器件的响应度。
所述基片的组成材料为Al2O3陶瓷。
所述基片包括图3所示的部分结构和图4所示的结构。
图3示意性给出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器制备N电极引线后和键合辅助支撑台连接的结构图。
图4示意性给出了以及微带线和金属In键合点的结构图。
如图2、图3和图4所示，所述雪崩光电探测器芯片第二欧姆接触层2的台阶平台上开设有N电极窗口17，N电极窗口17内设置有N电极引线18，所述N电极12通过N电极引线18连接至N电极台19，所述绝缘衬底1上连接有键合辅助支撑台20；所述键合辅助支撑台20上方连接倒扣键合基片；所述倒扣键合基片的组成材料为Al2O3陶瓷；倒扣键合基片上设置有微带线24；所述微带线24的组成材料为Ti和Au。
如图2、图3和图4所示，所述微带线24包括第一微带线24和第二微带线24；所述第一微带线24一端连接P电极11，另一端连接倒扣键合基片，所述第二微带线24一端连接N电极台19，另一端连接倒扣键合基片。
进一步地，如图2、图3和图4所示，所述第一微带线24与P电极11之间设置有4μm厚的铟，对铟进行热熔焊接工艺，使其连接第一微带线24和P电极11，从而将探测器芯片倒扣键合到基片上，此焊接点为第一金属In键合点22。
如图2、图3和图4所示，所述第二微带线24与N电极台19之间设置有4μm厚的铟，对铟进行热熔焊接工艺，使其连接第二微带线24和N电极台19，从而将探测器芯片倒扣键合到基片上，此焊接点为第二金属In键合点23。
如图2、图3和图4所示，所述键合辅助支撑台20与基片之间设置有4μm厚的铟，对铟进行热熔焊接工艺，使其连接基片和键合辅助支撑台20，从而将探测器芯片倒扣键合到底座上，此焊接点为第三金属In键合点21。
如图2、图3和图4所示，所述P电极11、N电极台19和键合辅助支撑台20共同作用，提高键合成功率和稳定性，背入射APD芯片与陶瓷绝缘基片1相连接，提供了一种有效的芯片散热方式，且有利于后续的封装处理。
本发明实施例还提供一种高速高增益的雪崩光电探测器的制备方法，如图5所示，方法包括以下几个步骤：
S1采用外延生长工艺，在绝缘衬底1上生长第二欧姆接触层2、渡越层3、第二电荷层4、倍增层5、第一电荷层6、过渡层7、第二吸收层8、第一吸收层9和第一欧姆接触层10；
S2采用光刻工艺，在外延正面光刻出P电极11图形，带胶溅射P电极11，采用剥离工艺制备P电极11；
S3采用光刻工艺，在外延正面光刻第一台阶14图形；采用湿法腐蚀工艺，对第一台阶14以外的外延材料进行腐蚀，直至第二吸收层8中心时停止，形成第一台阶14；
S4采用光刻工艺，在外延正面光刻出第二台阶15图形，此图形半径稍大于第一台阶14；采用湿法腐蚀工艺，腐蚀至第二欧姆接触层22停止，形成第二台阶15；
S5采用光刻工艺，在外延正面光刻出第三台阶16图形，采用湿法腐蚀工艺，腐蚀进绝缘衬底1停止，形成第三台阶16；
S6采用复合钝化层钝化的工艺，在外延正面生长共一定厚度的复合钝化层作保护，以减小器件的表面漏电流；
S7采用光刻工艺，在外延正面光刻N电极窗口17和P电极11窗口的图形；采用湿法腐蚀工艺，腐蚀掉N电极窗口17和P电极11窗口处的复合钝化层，形成N电极12和P电极11窗口；
S8采用光刻工艺，重新光刻出N电极窗口17，带胶溅射，溅射材料为Au、Ge、Ni和Au，之后剥离出N电极12；
S9采用光刻工艺，在外延正面光刻出电极引线窗口，带胶溅射，溅射材料为Ti和Au，之后剥离出电极引线；
S10采用快速退火合金工艺，使半导体器件和金属间形成良好的欧姆接触；
S11对绝缘衬底11背面进行减薄抛光，采用等离子体化学气相沉积工艺，在减薄抛光后的表面生长SiNx，作增透膜13；
S12采用光刻工艺，在增透膜13上光刻出对准标记窗口，对准标记为圆环结构，尺寸大于探测器正面第二台阶15，且中心位置与第二台阶15中心对齐，在后续使用过程中起到定位入射光位置的作用，采用等离子体刻蚀工艺，刻蚀掉对准标记处的SiNx；
S13采用溅射工艺，在陶瓷基片正面溅射金属Ti和Au；
S14采用光刻工艺，在金属Ti和Au表面光刻出微带线窗口24；采用湿法腐蚀工艺，将微带线以外的Ti和Au腐净；
S15采用光刻工艺，在陶瓷衬底正面分别光刻出第一金属In键合点22、第二金属In键合点23和第三金属In键合点21的窗口；采用溅射工艺，带胶溅射金属In，剥离形成金属In键合点；
S16采用热熔焊接工艺，将陶瓷衬底上的第一金属In键合点22、第二金属In键合点23和第三金属In键合点21的分别与探测器芯片正面的P电极11、N电极台19和键合辅助支撑台20对准焊接，完成芯片的倒扣键合。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速高增益的雪崩光电探测器，其特征在于，其芯片包括由上至下设置的三级台阶；其中：
第一级台阶，包括由上至下依次设置的P电极、第一欧姆接触层、第一吸收层和第二吸收层上部，其中，所述第一吸收层的组成材料为P型掺杂的InGaAs；
第二级台阶，包括由上至下依次设置的第二吸收层下部、过渡层、第一电荷层、倍增层、第二电荷层、渡越层和第二欧姆接触层上部，其中，所述第二吸收层的组成材料为本征InGaAs，所述过渡层的组成材料为本征InAlGaAs，所述第二欧姆接触层的组成材料为N型InGaAlAs；
第三级台阶，包括由上至下依次设置的第二欧姆接触层下部和绝缘衬底；
所述第二欧姆接触层下部连接有N电极；
所述第三级台阶的水平投影面积大于第二级台阶的水平投影面积；所述第二级台阶的水平投影面积大于第一级台阶的水平投影面积。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述倍增层的组成材料为本征InAlAs。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，第一电荷层的组成材料为P型掺杂的InAlAs，第二电荷层的组成材料为N型掺杂的InAlAs，渡越层的组成材料为本征InAlAs。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一欧姆接触层的组成材料为P型InGaAs；所述绝缘衬底的组成材料为本征InP。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述P电极的组成材料为金属Ti和Au，所述N电极的组成材料为金属Au、Ge、Ni和Au。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述绝缘衬底下方设置有增透膜，增透膜所用材质为SiNx。
7.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述芯片下方设置有基片，所述芯片倒扣键合于基片上。
8.根据权利要求7所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述基片的组成材料为Al2O3陶瓷。
9.一种高速高增益的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1采用外延生长工艺，在绝缘衬底上生长第二欧姆接触层、渡越层、第二电荷层、倍增层、第一电荷层、过渡层、第二吸收层、第一吸收层和第一欧姆接触层，其中，所述第一吸收层的组成材料为P型掺杂的InGaAs，第二吸收层的组成材料为本征InGaAs，所述过渡层的组成材料为本征InAlGaAs，第二欧姆接触层的组成材料为N型InGaAlAs；
S2采用光刻工艺，在外延正面光刻出P电极图形，带胶溅射P电极，采用剥离工艺制备P电极；
S3采用光刻工艺，在外延正面光刻第一台阶图形；采用湿法腐蚀工艺，对第一台阶以外的外延材料进行腐蚀，腐蚀至第二吸收层中心时停止，形成第一台阶；
S4采用光刻工艺，在外延正面光刻出第二台阶图形，此图形半径稍大于第一台阶；采用湿法腐蚀工艺，腐蚀至第二欧姆接触层2停止，形成第二台阶；
S5采用光刻工艺，在外延正面光刻出第三台阶图形，采用湿法腐蚀工艺，腐蚀进绝缘衬底停止，形成第三台阶；
S6采用复合钝化层钝化的工艺，在外延正面生长复合钝化层作保护，以减小器件的表面漏电流；
S7采用光刻工艺，在外延正面光刻N电极窗口和P电极窗口的图形；采用湿法腐蚀工艺，腐蚀掉N电极窗口和P电极窗口处的复合钝化层，形成N电极和P电极窗口；
S8采用光刻工艺，重新光刻出N电极窗口，带胶溅射，溅射材料为Au、Ge、Ni和Au，之后剥离出N电极；
S9采用光刻工艺，在外延正面光刻出电极引线窗口，带胶溅射，溅射材料为Ti和Au，之后剥离出电极引线；
S10采用快速退火合金工艺，使半导体器件和金属间形成良好的欧姆接触；
S11对绝缘衬底背面进行减薄抛光，采用等离子体化学气相沉积工艺，在减薄抛光后的表面生长SiNx，作增透膜；
S12采用光刻工艺，在增透膜上光刻出对准标记窗口，对准标记为圆环结构，尺寸大于探测器正面第二台阶，且中心位置与第二台阶中心对齐，在后续使用过程中起到定位入射光位置的作用，采用等离子体刻蚀工艺，刻蚀掉对准标记处的SiNx；
S13采用溅射工艺，在陶瓷基片正面溅射金属Ti和Au；
S14采用光刻工艺，在金属Ti和Au表面光刻出微带线窗口；采用湿法腐蚀工艺，将微带线以外的Ti和Au腐净；
S15采用光刻工艺，在陶瓷衬底正面光刻出键合点窗口；采用溅射工艺，带胶溅射金属In，剥离形成金属In键合点；
S16采用热熔焊接工艺，将陶瓷衬底上金属In键合点分别与探测器芯片正面键合点对准焊接，完成芯片的倒扣键合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114203853B (zh) * 2021-11-10 2022-11-08 武汉敏芯半导体股份有限公司 一种高速光电探测器芯片的制备方法
CN114361285A (zh) * 2021-12-31 2022-04-15 上海科技大学 1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法
CN115312630B (zh) * 2022-10-09 2022-12-09 天津英孚瑞半导体科技有限公司 一种具有双漂移区的雪崩光电探测器的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103077996A (zh) * 2013-02-08 2013-05-01 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特性的方法
CN103268898A (zh) * 2013-04-18 2013-08-28 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器及其高频特性提高方法
CN106711253A (zh) * 2016-12-14 2017-05-24 江苏华功第三代半导体产业技术研究院有限公司 一种iii族氮化物半导体雪崩光电探测器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4220688B2 (ja) * 2001-02-26 2009-02-04 日本オプネクスト株式会社 アバランシェホトダイオード

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103077996A (zh) * 2013-02-08 2013-05-01 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特性的方法
CN103268898A (zh) * 2013-04-18 2013-08-28 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器及其高频特性提高方法
CN106711253A (zh) * 2016-12-14 2017-05-24 江苏华功第三代半导体产业技术研究院有限公司 一种iii族氮化物半导体雪崩光电探测器

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